成果简介

近期，中山大学土木工程学院水资源水生态团队与拱北海关技术中心、广东省珠海生态环境监测站合作在环境科学领域取得重要进展，在《ACS ES&T Water》期刊上发表了题为“Unveiling the Dominant Influence of Reservoir Characteristics Over Water Quality on Algal Concentrations Revealed by qPCR Detection” 的封面（Front Cover）文章。本研究通过使用定量聚合酶链反应（qPCR）技术测定了珠海9个亚热带水库中4种常见藻属（Pseudanabaena, Cylindrospermopsis, Cryptomonas, 和 Limnothrix）的月序浓度。研究不仅探讨了珠海9个亚热带水库中水质参数、藻类浓度两者与水库特征的相关性，还揭示了它们互相之间的影响机理，创新性地得出了亚热带水库中水库特征是影响藻类浓度的主要因素这一结论，为预防亚热带水库中藻华爆发提供了新思路。

 引言

藻类的过度生长对饮用水水库的功能和生态完整性构成了重大挑战，对于饮用水水库来说，藻华不仅会损害水质，还会导致溶解氧的消耗，产生对水生生物和人类健康有害的毒素，并增加饮用水设施的处理成本，因此，准确有效的检测藻类浓度以及深入了解水库藻类的生长特征对于预防和治理藻华至关重要。本研究建立了一种定量聚合酶链式反应（qPCR）方法，用于准确有效地检测中国珠海九个饮用水水库中常见的四种藻类属（Pseudanabaena, Cylindrospermopsis, Cryptomonas, and Limnothrix）。所有四个目标藻属在九个饮用水水库中都被检测到。其中，Cryptomonas的平均丰度最高（6.76±2.20 log10 copies/L），而Pseudanabaena的平均丰度最低（4.93±2.50 log10 copies/L）。为了探究水库中藻类浓度的影响因素，本研究计算了九个饮用水水库的营养状态，并发现它们都处于寡中营养或中营养状态。尽管传统观点认为营养元素是决定藻类生长的决定因素，但在本研究中营养物质与采样水库中藻类丰度的相关性很小，甚至没有显著相关性。相反，藻类丰度对水库特征（包括水库规模、水体停留时间、供水来源和水文季节）表现出规律的响应性，藻类丰度与水库规模大、水体停留时间、水库水源和雨季有明显关系（p<0.05）。通过冗余分析可解释 51.5% 的变化，验证了水库特征对藻类丰度有积极而重要的影响。除此之外，藻类的生长导致水库中COD增加。本项研究不仅证明了应用 qPCR 方法进行水库藻类丰度评估的优越性，还揭示了水库特征对藻类丰度的积极和重要影响。

 藻类qPCR检测结果

本研究利用qPCR技术测定了四种常见藻属的月序浓度。在九个饮用水水库中检测到了所有四个目标藻属，其中Cryptomonas的丰度最高，平均浓度为 6.76±2.20 log10 Copies/L（图1）；Pseudanabaena的藻类丰度最低，平均浓度为 4.93±2.50 log10 Copies/L。Cylindrospermopsis 和 Limnothrix 的平均丰度分别为 5.49±3.10 和 5.57±2.45 log10 Copies/L。

图1 4种藻类的平均丰度。*表示P < 0.05， **表示P < 0.01， ***表示P < 0.001

 水库划分及营养状况评估

本研究将珠海市9个亚热带水库根据水库特征进行分类，其中依照大小分类为：小型（10万-100万m³），中型（100万-1000万m³），大型（1000万-10000万m³)，依照水力停留时间分类为：过流型（<20d），过渡型（20d-300d），营养型（>300d），依照供水方式分类为：河流供水型，雨水供水型。

通过对九个取样水库的水质参数进行评估，发现其营养状况普遍处于中低水平（图 2），符合饮用水库的特征。TN（1.26±0.58 mg/L）和 TP（0.03±0.01 mg/L）的平均浓度始终保持在较低水平，与其他饮用水水库相似。 TSI值表明，这些水库处于寡营养或中营养状态，营养物质供应有限。氮和磷浓度较低，表明该系统不易出现有害藻类大量繁殖和水质恶化的情况。

图2 采样水库的营养水平指数和卡尔森营养状态指数

 中贫营养条件下氮磷等营养元素不影响藻类时空分布

相关性分析结果显示（图3），在所有水质参数中，COD与藻类总丰度的正相关性最高（R² =0.58）（p<0.05）。COD与所有四种藻属也呈显著正相关，R² 在 0.31-0.61 之间（p<0.05），此前研究报道 COD 受藻类大量繁殖影响， 可能是藻类生长的一个指标。相比之下，BOD 与藻类丰度之间没有明显的正相关关系，营养元素（包括铵、总氮、总磷、总氨和硝酸盐）与藻类的总丰度也没有明显的正相关关系。值得注意的是，TP 与藻类总丰度和所有四种藻属都呈没有显著相关性。

图3 藻类丰度与水库特征及水质的相关性分析

藻类对水库特征的显著性响应

水库特征对藻类丰度具有显著的影响（图4）。水库规模、水滞留时间和供水来源与藻类丰度有显著相关性（p<0.05）。在这些特征中，水库规模和水停留时间共同决定了饮用水水库的水动力条件。水库规模可能通过影响光照吸收和水环境稳定性等因素对藻类生长产生间接影响。大型水库通常提供更大的光穿透表面积，因此有利于藻类的光合作用和增殖。此外，大型水库可能会为藻类的持续生长提供相对稳定的水动力条件。

图4 不同饮用水库中Pseudanabaena, Cylindrospermopsis, Cryptomonas, and Limnothrix的丰度。(a)不同规模、(b)不同蓄水时间、(c)不同水文季节、(d)不同供水水源的水库藻类丰度。

水体滞留时间对藻类动态变化具有重要意义。一般来说，较长的水滞留时间会诱发较高的藻类浓度。水体停留时间与藻类总浓度及三种特定藻类属的浓度之间存在显著的正相关关系（p<0.05）。相关研究表明，水体滞留时间的延长会导致水质恶化，同时也为藻类的繁殖提供了有利环境。与大型水库类似，较长的滞留时间可通过增加在水面附近的停留时间来提高藻类种群的光照可用性，并延长与其他环境条件（如可用营养物质）的接触时间，有利于藻类生长。因此，有效管理水体停留时间是控制藻类大量繁殖和维持水库系统水质的关键策略。

此外，水库会因降雨引入营养物质而诱发藻类的生长。本研究揭示了河水补给型水库和降雨补给型水库之间藻类浓度的显著差异，其中河水补给型水库的藻类密度较大。这种差异表明，水源对这些水生生态系统中藻类的动态变化起着关键作用。从河流到水库的水动力和营养物质供应是连续的，这创造了有利于藻类种群持续生长的条件，而降雨补给水库的环境条件可能更不稳定，营养物质供应主要依赖于降雨过程。

藻类浓度也受干湿季变化影响。四种藻属在雨季的丰度均高于旱季，其中 Pseudanabaena（p<0.001）和 Cylindrospermopsis（p<0.05）差异显著（图5c）。本研究结果表明，在物理和化学因子中，温度是雨季和旱季之间差异最大的环境因子（p<0.001）。旱季平均气温为（19.65±2.84）℃，而到了雨季，平均气温上升到（25.63±3.48）℃。雨季温度升高可为藻类增殖提供最佳条件。

通过相关性分析和冗余分析（RDA）发现水库特征（包括水库规模、蓄水时间、水文季节和水源）是影响藻类总丰度的主要因素（图5）。这些水库特征分别解释了总方差的显著比例，包括水源、水文季节和蓄水时间的16.0% (p=0.002)、7.2% (p<0.05) 和7.0% (p<0.05)，均对轴1的正方向产生影响。此外，在环境变量中，COD的解释度最高，可显著解释藻类丰度总方差的 23.2%（p=0.002）。 TP、TN 氨氮和硝酸盐等营养元素主要对轴2起正方向作用，并对轴 1 起负方向作用。结合相关性分析结果与RDA结果，说明中贫营养条件下氮磷等营养元素对藻类时空分布影响较小、水库特征是主要影响因素的结论。

图5 冗余分析(RDA)揭示水库中总藻丰度、4个藻属丰度、理化水质参数和水库特征之间的相关性

 环境影响

通过应用qPCR技术，本研究实现了对藻类种群的精确和特异性定量，准确揭示水了库特性与藻类动态之间的复杂联系。研究结果表明，在营养水平较低的水库环境中，藻类动态对水库特性的响应更为敏感。本研究系统验证了分子生物学技术相较于传统显微镜镜检技术在效率、准确性上的优越性，可应用于评估饮用水水库中藻类动态的检测和预警，并为针对性制定水库生态系统保护及可持续管理策略提供了理论依据。

论文原文链接：https://doi.org/10.1021/acsestwater.3c00831

文章转载自公众号：污染溯源与生态修复